Дизайн алюмінієвої світлодіодної друкованої плати та посібник з DFM

Температура переходу світлодіода – це єдина змінна, яка визначає швидкість зниження світлового потоку, зміну кольору та час до відмови. Все в конструкції алюмінієвої світлодіодної друкованої плати або сприяє підвищенню, або знижує температуру переходу. Проектувальник, який розуміє тепловий ланцюг від переходу до навколишнього середовища, може приймати рішення щодо компонування, що дозволяють отримати запас 10–20°C від заданого радіатора. Проектувальник, який розглядає друковану плату як механічну монтажну основу та залишає теплову оптимізацію постачальнику радіатора, без потреби втрачає цей запас. Цей посібник охоплює важливі проектні рішення.

Тепловий ланцюг: куди йде тепло і де воно зупиняється

Навігація по статтях

1. Тепловий ланцюг: куди йде тепло і де воно зупиняється
2. Запуск теплового моделювання перед згодою з розробкою макета
3. Геометрія світлодіодної площадки: точність розташування контактів та надійність паяного з'єднання
4. Ширина мідної доріжки для світлодіодних гілок високої напруги
5. Зони захисту та шляхи витоку для інтегрованих драйверів світлодіодів
6. Правила DFM, специфічні для компонування алюмінієвих світлодіодних друкованих плат
7. Контрольний список передачі проекту для виготовлення алюмінієвих світлодіодних друкованих плат
8. FAQ

Теплові потоки відбуваються від світлодіодного переходу → корпус світлодіода → паяне з'єднання → мідний контактний майданчик → діелектричний шар → алюмінієва основа → радіатор → навколишнє середовище. Кожен інтерфейс має значення теплового опору, і друкована плата вносить три вкладення: опір паяного з'єднання, інтерфейс мідь-діелектрик та сам діелектричний шар.

Електричний опір є домінуючим термічним терміном друкованої плати:

• При 1.0 Вт/м·K, діелектрику 100 мкм: θ_діелектрик ≈ 1.0°C/Вт на см² площі контактної площадки
• При 2.0 Вт/м·K, 100 мкм: θ_діелектрик ≈ 0.5°C/Вт на см²
• При 3.0 Вт/м·K, 100 мкм: θ_діелектрик ≈ 0.33°C/Вт на см²

Для світлодіода потужністю 3 Вт на контактній площадкі 3 × 3 мм різниця між діелектричною проникністю 1.0 та 3.0 Вт/м·K становить приблизно 5°C температури переходу на кристалі. Масштабування цього значення для світильника потужністю 150 Вт з 50 світлодіодами призведе до значного впливу на систему.

Алюмінієва основа додає незначний тепловий опір, якщо вона достатньо товста (≥1.0 мм), а інтерфейс з радіатором використовує відповідний термоінтерфейсний матеріал (TIM). Інтерфейс між базою та радіатором часто має найбільший тепловий опір у збірці, але він знаходиться поза межами прямого контролю розробника друкованої плати.

Запуск теплового моделювання перед згодою з розробкою макета

Теплове моделювання перед побудовою друкованої плати запобігає двом дорогим помилкам: створенню плати, яка не може належним чином охолоджуватися при номінальній потужності, та надмірному визначенню діелектрика з непотрібними витратами.

Вхідні дані методом скінченних елементів (FEA) для моделювання алюмінієвої світлодіодної друкованої плати:

• Термічний опір корпусу світлодіода (θ_j-s, з технічного опису)
• Пряма потужність світлодіода при робочому струмі
• Розміри прокладки та термопласту
• Клас діелектричної чистоти та товщина (це параметр, для якого ви розв'язуєте задачу)
• Розміри та сплав алюмінієвої основи
• Опір радіатора та значення TIM монтажного інтерфейсу
• Температура навколишнього середовища (найгірший випадок: зазвичай 50–60°C для закритих світильників)

Що показує результат моделювання:

• Максимальна температура переходу світлодіода — порівняйте з номіналом T_j (зазвичай 125–150°C для сучасних світлодіодних корпусів)
• Гарячі точки від кластеризації світлодіодів — якщо світлодіоди розміщені занадто близько, тепловий опір від сусідніх джерел тепла світлодіодів збільшує температуру переходу.
• Необхідна діелектрична Tc для дотримання бюджету температури переходу

Компанія Highleap Electronics надає підтримку в тепловому моделюванні MCPCB для клієнтів, яким необхідно перевірити специфікацію свого стека перед запуском виробництва. Це особливо корисно, коли вибір між діелектричною пропускною здатністю 2.0 та 3.0 Вт/м·K суттєво впливає на вартість матеріалу.

Геометрія світлодіодної площадки: точність розташування контактів та надійність паяного з'єднання

Геометрія контактних площадок на алюмінієвих світлодіодних друкованих платах має жорсткіші наслідки, ніж на стандартних FR-4, оскільки теплова маса алюмінієвої основи висока, а контроль температури оплавлення складніший. Поширені помилки при проектуванні контактних площадок:

Термопрокладки великого розміру : Термопрокладка, розмір якої перевищує розмір корпусу світлодіода, створює резервуар для припою під час оплавлення, який може відводити припій від сигнальних площадок, що призводить до недостатнього формування з'єднання на сигнальних/анодних/катодних площадках. Термопрокладка має бути на 0–0.1 мм з кожної сторони більшою за термопрокладку корпусу, а не на 0.3–0.5 мм, як іноді вказано для FR-4.

Коефіцієнт відкриття паяльної маски : для великих термопрокладок (>3 × 3 мм) використовуйте сегментований отвір паяльної маски — кілька менших отворів, а не одну повністю відкриту площадку — щоб контролювати об'єм пасти та запобігати утворенню пустот. Для контактних площадок ≥ 9 мм² слід використовувати 50–70% оголеної площі міді.

Компланарність контактних площадок : Алюмінієві плати зі зміною товщини діелектрика трохи деформуються під час оплавлення. Компланарність контактних площадок ≤0.05 мм досяжна за допомогою контрольованої товщини діелектрика. Якщо ваш пастоподібний друк залежить від тісної компланарності, обговоріть це з заводом як контрольовану специфікацію. Дослідіть, як конструкція паяльної маски на друкованих платах впливає на вихід складання на підкладках з металевого осердя.

Ширина мідної доріжки для світлодіодних гілок високої напруги

Стандарт IPC-2152 (раніше IPC-2221) надає орієнтир для ширини доріжки у порівнянні зі струмовою ємністю. На алюмінієвих світлодіодних друкованих платах використовуйте таблиці доріжок внутрішнього шару, а не зовнішнього шару, оскільки доріжка знаходиться на поверхні, але алюмінієва основа поглинає тепло знизу, частково відтворюючи теплову поведінку внутрішнього шару.

Практичні рекомендації щодо ширини доріжок для 1 унції міді на алюмінієвих світлодіодних друкованих платах, підвищення температури на 10°C:

Для струмів понад 5 А перейдіть на мідний провід вагою 2 або 3 мл. Ширина доріжки, необхідна для струму 1 мл (5 мм) для 10 А, займає площу компонування, яку краще використовувати для додаткових світлодіодів у конструкціях з високою щільністю. Дослідіть принципи проектування друкованих плат з важкої міді, коли вага міді перевищує 2 мл.

Зони захисту та шляхи витоку для інтегрованих драйверів світлодіодів

Багато конструкцій алюмінієвих світлодіодних друкованих плат інтегрують схему драйвера світлодіода на тій самій платі, що й світлодіодний масив. Це створює високовольтну область (вхід драйвера: 100–350 В змінного або постійного струму) поруч із низьковольтним світлодіодним ланцюжком. Правила проектування:

Довжина шляху витоку : IEC 60950-1 та IEC 62368-1 визначають вимоги до шляхів витоку та зазорів між високовольтними та низьковольтними провідниками. Для посиленої ізоляції при робочій напрузі 250 В змінного струму мінімальна довжина шляху витоку на друкованій платі становить 6.4 мм (ступінь забруднення 2, група матеріалів IIIa). На алюмінієвих світлодіодних друкованих платах, де алюмінієва основа знаходиться під потенціалом шасі, відстань від будь-якого фазного провідника до найближчого краю плати або монтажного отвору також потребує аналізу шляхів витоку.

Захист від високої напруги в монтажних отворах : Алюмінієві монтажні отвори з'єднують основу з шасі світильника. Будь-яка високовольтна траса повинна підтримувати відстань витоку/зазору від цих отворів, враховуючи діаметр струмопровідного кріплення.

Термопрокладки мікросхем драйвера : Деякі мікросхеми драйверів світлодіодів мають відкриті термопрокладки під високим потенціалом напруги (не заземлення). Перевірте напругу на прокладках, перш ніж визначати отвори для паяльної маски та мідні заливки поблизу цих компонентів.

Правила DFM, специфічні для компонування алюмінієвих світлодіодних друкованих плат

Конструкція для технологічності на алюмінієвих підкладках відрізняється від FR-4 у кількох аспектах:

Відсутність перехідних отворів у термопрокладках : на відміну від FR-4, де іноді використовуються перехідні отвори в прокладці з мідним заповненням, алюмінієві світлодіодні друковані плати не підтримують сховані або глухі перехідні отвори. Вся траса має бути виконана в одному шарі міді. Мідні заливки та широкі доріжки замінюють розподіл тепла на основі перехідних отворів.

Мінімальне кільцеве кільце для свердління алюмінію : Через стирання алюмінію об інструменти для свердління, відхилення свердла трохи більше, ніж на FR-4. Мінімальне кільцеве кільце для наскрізних отворів з гальванічним покриттям на алюмінієвих світлодіодних друкованих платах має становити 0.25 мм, а не 0.15 мм, як це може бути прийнятно на FR-4.

Захист компонентів від ліній V-подібних надрізів : Стандартний захист від ліній V-подібних надрізів становить 0.5 мм для компонентів на FR-4. На алюмінії глибина леза V-подібних надрізів може коливатися ±0.1 мм, а алюмінієвий надріз створює незначне порушення поверхні. Збільште захист компонентів від ліній V-подібних надрізів до 0.75 мм на алюмінієвих світлодіодних друкованих платах.

Покриття країв недоступне : Алюмінієві світлодіодні друковані плати не підтримують покриття країв. Будь-яке електричне з'єднання на краю плати має бути виконане через контактні площадки, відведені від краю на ≥0.5 мм.

Для повної перевірки DFM перед поданням вашого проекту у виробництво використовуйте контрольний список DFM для друкованих плат як довідку перед поданням.

Контрольний список передачі проекту для виготовлення алюмінієвих світлодіодних друкованих плат

Перш ніж надсилати файли виробнику:

• Файли Gerber: мідний шар, верхня частина паяльної маски, верхня частина шовкографії, контур плати (DXF або спеціальний шар Gerber)
• Напилок для свердла: усі отвори з діаметрами, позначення з покриттям/без покриття
• Специфікація стеку: марка алюмінію, товщина, клас діелектричної термостійкості, вага міді, загальна товщина плати
• Специфікація обробки поверхні: товщина золота/нікелю ENIG або HASL/OSP
• Вимога до високої напруги
• Клас МПК (2 або 3)
• Контрольовані характеристики: допуск товщини діелектрика, допуск товщини міді
• Колір паяльної маски та коефіцієнт розкриття на великих термопрокладках
• Деталі фаски або зенкування монтажного отвору, якщо потрібно

Команда інженерів Highleap Electronics проводить безкоштовну перевірку DFM наданих файлів перед тим, як надати цінову пропозицію, виявляючи будь-які з вищезазначених проблем, перш ніж вони перетворяться на виробничі дефекти або відбраковані плати. Результати перевірки надсилаються протягом 1-2 робочих днів.

FAQ

Який інструмент моделювання слід використовувати для теплового проектування алюмінієвих світлодіодних друкованих плат? ANSYS Icepak та Mentor FloTHERM – це повноцінні інструменти моделювання методом скінченних елементів (МСЕ) з бібліотеками матеріалів для діелектриків MCPCB. Для швидшого отримання результатів під час початкового проектування інструменти моделювання виробників світлодіодів (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) включають спрощені теплові моделі. Будь-яке моделювання краще, ніж його відсутність – навіть таблична модель теплового опору між переходом та навколишнім середовищем виявляє основні помилки проектування ще до створення прототипів.

Як керувати площинами заземлення та живлення на одношаровій алюмінієвій світлодіодній друкованій платі? Одношарові плати не мають площини заземлення в традиційному сенсі багатошарової FR-4. Живлення та земля (або повернення струму) повинні бути прокладені окремими доріжками. Мідні прокладки на невикористаній ділянці можуть служити локальними шляхами повернення струму, але не електрично з'єднані з алюмінієвою основою. Алюмінієва основа є або заземленою на шасі, або плаваючою, залежно від конструкції світильника — це не автоматично заземлення кола.

Яке покриття контактних майданчиків слід вказати для світлодіодних матриць COB на алюмінієвих платах? ENIG – правильний вибір для складання друкованої плати світлодіодів COB (чіп-на-платі) . Плоска, відтворювана поверхня є важливою для процесів кріплення кристалів та з'єднання дротів, що використовуються у виробництві COB. Варіації поверхні HASL несумісні з допусками висоти з'єднання при складанні COB.

Як алюмінієва основа впливає на профіль оплавлення поверхневого монтажу (SMT)? Алюмінієва основа поглинає тепло під час нарощування, що вимагає повільнішої швидкості нарощування (максимум 2°C/с) та потенційно вищої температури пікової зони для досягнення належної температури контактної площадки. Основа також утримує тепло після виходу з пікових зон, продовжуючи час вище ліквідусу. Замовте спеціальний профіль оплавлення у свого партнера з монтажу, якщо переходите з FR-4 на алюмінієві світлодіодні друковані плати.